航空發(fā)動機機匣加工變形分析與控制

安麗莎 韓永武 鄧連興

摘 要：航空發(fā)動機是飛機的動力核心，其所產(chǎn)生的強大推力來推動飛機快速前進(jìn)。機匣是航空發(fā)動機中的重要組成部分，其主要用于承受航空發(fā)動機在工作中所產(chǎn)生的負(fù)載和質(zhì)量慣性力，做好航空發(fā)動機機匣的設(shè)計和制造對于提高航空發(fā)動機的質(zhì)量有著極為重要的意義。航空發(fā)動機機匣為了實現(xiàn)航空發(fā)動機的功能，其在設(shè)計中多采用的是薄壁、整體的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。航空發(fā)動機機匣所使用的材料主要為鈦合金、高溫合金等，其硬度高、加工難度大，尤其是在航空發(fā)動機機匣機械加工的過程中所產(chǎn)生的變形問題直接影響著航空發(fā)動機機匣的機械加工質(zhì)量。本文將在分析航空發(fā)動機機匣機械加工中變形原因的基礎(chǔ)上對如何控制航空發(fā)動機機匣機械加工中變形問題進(jìn)行分析闡述，提高航空發(fā)動機的制造質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機機匣；變形；機械加工

中圖分類號：TK416 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

航空發(fā)動機機匣是航空發(fā)動機中的重要受力部件之一，其加工制造質(zhì)量直接影響著航空發(fā)動機的使用性能。在航空發(fā)動機機匣的機械加工過程中應(yīng)當(dāng)注意采用合理的工藝和措施用以控制航空發(fā)動機機匣在機械加工中所產(chǎn)生的變形問題，通過工藝優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化、路徑補償?shù)确绞綄⒑娇瞻l(fā)動機機匣機械加工中所產(chǎn)生的變形量控制在最低水平，提高航空發(fā)動機機匣的機械加工質(zhì)量。

1 航空發(fā)動機機匣在機械加工過程中產(chǎn)生變形的原因分析

航空發(fā)動機機匣是航空發(fā)動機中的重要受力部件之一，航空發(fā)動機機匣是由各部分具備不同結(jié)構(gòu)和功用的機匣組合件焊接而成的，在航空發(fā)動機機匣的加工制造過程中，焊接變形和機械加工變形是影響航空發(fā)動機機匣加工制造質(zhì)量的兩個主要的因素。航空發(fā)動機機匣由于其功用要求使得其在設(shè)計的過程中主要是薄壁型結(jié)構(gòu)，尤其是現(xiàn)今隨著大功率航空發(fā)動機需求的不斷增加，大直徑的航空發(fā)動機機匣將越來越多的成為航空發(fā)動機機匣制造的主要類型。

航空發(fā)動機機匣屬于典型的薄壁結(jié)構(gòu)件，由于航空發(fā)動機機匣的壁厚較薄，一些航空發(fā)動機機匣的最薄處僅有幾個mm，從而使得航空發(fā)動機機匣的剛性較弱，致使航空發(fā)動機機匣在機械加工的過程中容易受到裝夾力、切削力和機械加工所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的影響而導(dǎo)致變形。航空發(fā)動機機匣在加工過程中需要對零部件進(jìn)行裝夾固定，如裝夾力不平衡將會對航空發(fā)動機機匣這一較弱的剛性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不必要的附加力，從而導(dǎo)致航空發(fā)動機機匣在加工制造后產(chǎn)生變形。因裝夾力而導(dǎo)致的航空發(fā)動機機匣變形多發(fā)生在航空發(fā)動機機匣的端面、薄壁處。

航空發(fā)動機機匣因切削力所導(dǎo)致的變形是由于刀具所產(chǎn)生的切削力作用于航空發(fā)動機機匣時將會使得航空發(fā)動機機匣產(chǎn)生“讓刀”變形，由于切削力的作用所導(dǎo)致的航空發(fā)動機機匣機械加工變形多發(fā)生于航空發(fā)動機機匣的薄壁處，其容易造成航空發(fā)動機機匣在圓度、圓跳動量等的檢測數(shù)據(jù)上超差。

殘余應(yīng)力是造成航空發(fā)動機機匣加工變形的重要原因之一，在航空發(fā)動機機械加工的過程中，切削所產(chǎn)生的應(yīng)力在航空發(fā)動機機匣內(nèi)不斷積聚并逐漸的影響著航空發(fā)動機機匣，這些應(yīng)力的存在將逐步的影響著航空發(fā)動機機匣并導(dǎo)致航空發(fā)動機機匣產(chǎn)生變形。

2 航空發(fā)動機機匣機械加工變形控制策略

航空發(fā)動機機匣機械加工是航空發(fā)動機機匣加工制造的主要方式，為提高航空發(fā)動機機匣機械加工質(zhì)量，減少變形對于航空發(fā)動機機匣機械加工質(zhì)量的影響應(yīng)當(dāng)針對航空發(fā)動機機匣機械加工中產(chǎn)生變形的原因采取合理的措施來做好變形的控制，提高航空發(fā)動機機匣機械加工質(zhì)量。由于航空發(fā)動機機匣機械加工變形是多種因素共同作用的結(jié)果，在航空發(fā)動機機匣機械加工中需要采用多種方式做好航空發(fā)動機機匣機械加工中的工藝、裝夾等的優(yōu)化，提高航空發(fā)動機機匣機械加工質(zhì)量。

某型號的航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣其外環(huán)采用的是TC4型材料，其結(jié)構(gòu)設(shè)計為整體回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，在環(huán)壁最薄處僅為2mm，直徑接近1000mm，航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣這一結(jié)構(gòu)特點導(dǎo)致其在機械加工的過程中極易受到各種作用力的影響而導(dǎo)致航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣在機械加工中產(chǎn)生變形，從而影響航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的加工質(zhì)量。

通過測量分析發(fā)現(xiàn)航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的加工變形主要發(fā)生于精加工工序后，在精加工完成后航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣失去拘束后恢復(fù)到自由狀態(tài)后其徑向圓跳動的測量數(shù)據(jù)超差。為提高航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的機械加工質(zhì)量，減少變形在航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的機械加工中需要對加工工藝、裝夾方式等進(jìn)行優(yōu)化。

在航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的裝夾方式上：由于航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的結(jié)構(gòu)特點，常常將航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的兩端面作為加工基準(zhǔn)，在航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的裝夾上主要包括軸向壓緊和徑向壓緊，在對航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的上端面進(jìn)行精加工時，作為基準(zhǔn)的下端面由于存在平面度誤差，在對航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣進(jìn)行軸向壓緊時將會由于受力不均而產(chǎn)生變形，通過對航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的裝夾變形進(jìn)行模擬分析，發(fā)現(xiàn)裝夾不當(dāng)將會導(dǎo)致航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣產(chǎn)生約0.05mm的變形量，這一變形量的存在將會對后續(xù)以上端面為基準(zhǔn)所進(jìn)行的航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣機械加工產(chǎn)生極大的影響，將會產(chǎn)生誤差疊加。在對航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣端面基準(zhǔn)的加工中，需要盡量采用徑向壓緊的裝夾方式。而在對航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的其他部分進(jìn)行機械加工時應(yīng)當(dāng)盡量采用軸向壓緊用以降低因裝夾所引起的薄壁變形問題，提高航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的加工精度。

做好航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣機械加工參數(shù)的優(yōu)化也是提高航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣機械加工質(zhì)量的重要方式之一。在航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的機械加工中，車削加工是其主要的加工方式。由于粗加工、半精加工階段都留有較大的加工余量，在對航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣進(jìn)行機械加工時加工切削力對于航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的影響較小，可以通過合理的熱處理工藝來消除粗、半精加工中所產(chǎn)生的切削應(yīng)力。

在精車階段，為降低車削力對航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣機械加工的影響需要對精車階段機械進(jìn)行良好的模擬，控制航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣精車加工中的切削進(jìn)給和切削深度，并提高車削的轉(zhuǎn)速，采取高轉(zhuǎn)速、低進(jìn)給的方式來控制車削加工中的車削力。并在車削的過程中注意做好冷卻，減少切削熱對航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣機械加工的影響。

在車削工藝的編制上還需要注意合理的選擇加工路徑并結(jié)合航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的材料特點來合理地選擇刀具、車削速度和進(jìn)給量等的加工參數(shù)，為控制殘余應(yīng)力釋放所帶來的加工變形，在航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣加工的過程中應(yīng)當(dāng)盡可能地保證將存在殘余應(yīng)力部分的材料去掉。殘余應(yīng)力一般分布在距離加工表面0.3mm以內(nèi)的范圍內(nèi)，在0.3mm以下的位置切削應(yīng)力的大小基本為零，在航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣的精加工階段應(yīng)當(dāng)盡量使切削深度大于0.3mm，并在最后一刀中采用較小的進(jìn)給速度用以確保航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣精加工后航空發(fā)動機風(fēng)扇機匣表面殘余應(yīng)力的大小和分布均勻。

結(jié)語

航空發(fā)動機機匣加工是一項復(fù)雜而系統(tǒng)的工作，為提高航空發(fā)動機機匣的機械加工質(zhì)量需要積極做好航空發(fā)動機機匣機械加工變形。由于航空發(fā)動機機匣屬于薄壁型結(jié)構(gòu)，其在加工中受外界因素影響較大，在航空發(fā)動機機匣的機械加工中需要結(jié)合變形產(chǎn)生的原因采取針對性的措施來控制好航空發(fā)動機機匣機械加工中的變形量，提高航空發(fā)動機機匣的加工質(zhì)量。

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